22.04.2022 - Stanford University

Neue Art des 3D-Drucks

Grundstein für neues 3D-Drucksystem gelegt, bei dem ein Objekt nicht von unten nach oben gedruckt werden muss

Die 3D-Drucktechniken haben sich in den letzten zehn Jahren zwar erheblich weiterentwickelt, aber die Technologie stößt immer noch an eine grundlegende Grenze: Objekte müssen Schicht für Schicht aufgebaut werden. Aber was wäre, wenn sie das nicht müssten?

Dan Congreve, Assistenzprofessor für Elektrotechnik in Stanford und ehemaliger Rowland-Stipendiat am Rowland Institute der Harvard University, und seine Kollegen haben einen Weg entwickelt, 3D-Objekte in einem stationären Volumen aus Harz zu drucken. Das gedruckte Objekt wird vollständig von dem dicken Harz gestützt - man stelle sich eine Action-Figur vor, die in der Mitte eines Wackelpuddingblocks schwimmt - und kann daher aus jedem Winkel hinzugefügt werden. Damit entfallen die Stützstrukturen, die normalerweise für die Erstellung komplexer Designs mit herkömmlichen Druckverfahren erforderlich sind. Das neue 3D-Drucksystem, das kürzlich in Nature veröffentlicht wurde, könnte den Druck immer komplizierterer Designs erleichtern und gleichzeitig Zeit und Material sparen.

"Die Fähigkeit, volumetrisch zu drucken, ermöglicht es, Objekte zu drucken, die zuvor sehr schwierig waren", so Congreve. "Das ist eine sehr aufregende Möglichkeit für den dreidimensionalen Druck in der Zukunft."

Drucken mit Licht

Auf den ersten Blick scheint die Technik relativ einfach zu sein: Die Forscher fokussierten einen Laser durch eine Linse und ließen ihn in ein gelatineartiges Harz strahlen, das bei Einwirkung von blauem Licht aushärtet. Aber Congreve und seine Kollegen konnten nicht einfach einen blauen Laser verwenden - das Harz würde über die gesamte Länge des Strahls aushärten. Stattdessen verwendeten sie ein rotes Licht und einige ausgeklügelte Nanomaterialien, die im Harz verstreut waren, um nur im genauen Brennpunkt des Lasers blaues Licht zu erzeugen. Indem sie den Laser um den Harzbehälter herum bewegten, konnten sie detaillierte, stützenfreie Drucke erstellen.

Congreves Labor hat sich auf die Umwandlung von Licht einer Wellenlänge in eine andere spezialisiert, und zwar mit einer Methode, die als Triplett-Fusionsaufwärtskonversion bezeichnet wird. Wenn sich die richtigen Moleküle in unmittelbarer Nähe zueinander befinden, können die Forscher eine Kette von Energieübertragungen erzeugen, die beispielsweise rote Photonen mit niedriger Energie in blaue Photonen mit hoher Energie umwandeln.

"Ich habe mich schon während meines Studiums für diese Upconversion-Technik interessiert", sagt Congreve. "Sie hat alle möglichen interessanten Anwendungen in der Solartechnik, in der Biotechnologie und jetzt auch im 3D-Druck. Unsere eigentliche Spezialität sind die Nanomaterialien selbst - wir entwickeln sie so, dass sie die richtige Lichtwellenlänge emittieren, dass sie effizient emittieren und dass sie in Harz dispergiert werden."

Durch eine Reihe von Arbeitsschritten (u. a. schickten sie einige ihrer Materialien in einen Vitamix-Mixer) gelang es Congreve und seinen Kollegen, die erforderlichen Upconversion-Moleküle zu einzelnen nanoskaligen Tröpfchen zu formen und sie mit einer schützenden Siliziumdioxidhülle zu überziehen. Anschließend verteilten sie die so entstandenen Nanokapseln, von denen jede 1000-mal kleiner ist als die Breite eines menschlichen Haares, im gesamten Harz.

"Es war nicht einfach, herauszufinden, wie man die Nanokapseln robust machen kann - ein Harz für den 3D-Druck ist eigentlich ziemlich hart", sagt Tracy Schloemer, Postdoktorandin in Congreves Labor und eine der Hauptautorinnen der Arbeit. "Und wenn diese Nanokapseln auseinanderfallen, kann man keine Aufwärtskonversion mehr durchführen. Der gesamte Inhalt läuft aus und man kann die benötigten molekularen Zusammenstöße nicht mehr erreichen."

Nächste Schritte für lichtumwandelnde Nanokapseln

Die Forscher arbeiten derzeit daran, ihre 3D-Drucktechnik zu verfeinern. Sie untersuchen die Möglichkeit, mehrere Punkte gleichzeitig zu drucken, was den Prozess erheblich beschleunigen würde, sowie das Drucken mit höherer Auflösung und in kleinerem Maßstab.

Congreve erforscht auch andere Möglichkeiten, die aufwärtswandelnden Nanokapseln zu nutzen. Sie könnten beispielsweise dazu beitragen, die Effizienz von Solarzellen zu verbessern, indem sie unbrauchbares, energiearmes Licht in Wellenlängen umwandeln, die von den Solarzellen aufgenommen werden können. Oder sie könnten Forschern dabei helfen, biologische Modelle, die mit Licht ausgelöst werden können, genauer zu untersuchen oder in Zukunft sogar lokalisierte Behandlungen durchzuführen.

"Man könnte Gewebe mit Infrarotlicht durchdringen und dann dieses Infrarotlicht mit dieser Aufwärtswandlungstechnik in hochenergetisches Licht umwandeln, um z. B. eine chemische Reaktion anzustoßen", so Congreve. "Unsere Fähigkeit, Materialien auf der Nanoskala zu kontrollieren, bietet uns eine Menge wirklich cooler Möglichkeiten, um anspruchsvolle Probleme zu lösen, die sonst nur schwer zu lösen sind.

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